【発明の詳細な説明】
電気脱イオン装置用のモジュール 発明の分野
本発明は、電界の影響下で、液体中でイオンを輸送するようになされた、新規
な電気脱イオン装置に関する。発明の背景
液体中のイオン又は分子の濃度を減少させることにより、液体の純化を行うこ
とは、技術的に重要な関心事であった。多くの技術を用いて、液体の純化及び分
離、あるいは、液体混合物からの特定のイオン又は分子の濃縮が行われてきた。
周知のプロセスとしては、電気透析法、液体クロマトグラフ法、薄膜濾過法、逆
浸透法、イオン交換法、及び、電気脱イオン法が挙げられる。本明細書で使用す
るように、電気脱イオンという用語は、イオン交換樹脂の如きイオン交換材料が
、アニオン性の隔膜すなわち薄膜とカチオン性の隔膜すなわち薄膜との間に設け
られているプロセスを指称するものである。これとは対照的に、電気透析という
用語は、アニオン性の隔膜とカチオン性の隔膜との間に設けられるイオン交換材
料を用いないプロセスに関するものである。
現代の意味における電気脱イオンまで最終的に進化したプロセスを用いて液体
を処理するための早期の示唆は、米国特許第２，６８９，８２６号及び同第２，
８１５，３２０号（Ｋｏｌｌｓｍａｎ）に記載されている。上記米国特許第２，
６８９，８２６号は、プロセスストリームすなわちプロセス流れからイオンを除
去するための、電気透析装置及び電気透析プロセスを記載している。イオンは、
流れが、アニオン性の透過膜及びカチオン性の透過膜によって部分的に形成され
る減少チャンバを通過する際に、その流れから除去される。イオンは、それぞれ
の透過膜を通過し、予め選択されたイオンを所定の方向へ輸送する電位の影響を
受けている濃縮チャンバの中の第２の液体の中へ入る。その処理されている液体
は、イオンが欠乏（不足）し、一方、上記第２の液体は、上記輸送されたイオン
で富化され、そのようなイオンを濃縮された状態で搬送する。
上記米国特許第２，８１５，３２０号は、アニオン性の隔膜とカチオン性の隔
膜との間の充填材料として、イオン交換樹脂から形成されたマクロ孔質ビーズを
用いることを記載している。上記イオン交換樹脂は、イオンの輸送通路として作
用すると共に、上記隔膜の間で、イオンを移動させるための大きな導電ブリッジ
の役割も果たす。上記両米国特許は、電気脱イオンの基本的な構造の骨格並びに
理論を、技術として示している。
より最近には、大幅に改善された電気脱イオン装置が、米国特許第４，９２５
，５４１号（Ｇｉｕｆｆｒｉｄａ ｅｔ ａｌ．）、及び、米国特許第４，９３
１，１６０号（Ｇｉｕｆｆｒｉｄａ）に開示されており、本明細書においては、
これら米国特許を参照する。
上記米国特許においては、減少チャンバ及び濃縮チャンバが、セルの対として
設けられ、各々の対は、幅が約４１４ｍｍ（１６．３インチ）で長さが約８５７
ｍｍ（３３．７５インチ）の矩形状の形態を有している。各々のセル対は、第１
のプロセス流れ（希釈流）から汚染物を除去する希釈隔室と、第２のプロセス流
れ（濃縮流）の中に上記汚染物を濃縮する濃縮隔室とを備えている。参考として
、上記希釈隔室の中のプロセス流れは、希釈流すなわち希釈する流れと称され、
また、上記濃縮隔室の中のプロセス流れは、濃縮流すなわち濃縮する流れと称さ
れる。
上記希釈隔室は、ポリプロピレンから成形されたスペーサによって形成され、
このスペーサは、上記矩形のセルの形態と同じ寸法、並びに、約２．２９ｍｍ（
０．０９０インチ）の厚みを有している。この隔室には、ビーズ（球状体）の形
態を有するのが好ましい、イオン交換樹脂が充填される。上記スペーサと同じ矩
形の寸法を有する電気透析膜が、そのスペーサの両側に接合され、上記希釈隔室
の頂部壁及び底部壁を形成する。上記電気透析膜は異なっており、一方は、アニ
オン性の交換膜であるが、他方は、カチオン性の交換膜である。約２７４ｍｍ（
１．０８インチ）の幅、約６５４ｍｍ（２５．７５インチ）の長さ、及び、約２
．２９ｍｍ（０．０９０インチ）の深さを各々有する一連の平行な浅い通路が、
希釈隔室を通って流れるプロセス流れ（希釈流）のための流通路を形成する。上
記希釈流は、希釈隔室の中へ流れ、マニホールドを介して上記各通路の中へ導か
れる。上記マニホールドは、流れを邪魔してその流れを上記全体の通路に均一に
分配するように設計された、多数の障害物を備えている。上記スペーサは、対角
線の方向において向かい合ったコーナー部に設けられた流入口及び流出口を備え
ており、流入口から流出口までの総ての流通路の間の圧力降下を均等化している
。
上記濃縮隔室も、上記希釈隔室と同じ矩形の寸法を有するスペーサによって、
形成されている。上記濃縮隔室のスペーサは、希釈隔室のスペーサよりも薄くす
ることができるが、じきに説明するように、幾つかの用途においては、濃縮スぺ
ーサは、希釈スペーサと同じ厚みを有する。一般的には、濃縮隔室は、この濃縮
隔室を通って流れる濃縮流を混合する役割を果たす、不活性スクリーンを収容し
ている。そうではなく、装置が、極性反転モードで作動される場合、あるいは、
総てが充填された非極性反転モードで作動される場合には、上記スクリーンは、
イオン交換樹脂又はイオン交換樹脂の混合物で置き換えられる。
上記イオン交換樹脂及び隔膜は、上述の米国特許第４，９２５，５４１号及び
米国特許第４，９３１，１６０号に記載されたものとすることができる。そうで
はなく、上記樹脂及び隔膜は、１９９０年１２月１７日に出願された係属中の米
国特許出願シリアルＮｏ．０７／６２８，３３８、並びに、その一部継続出願で
あり、１９９２年２月２５日に出願された、米国特許出願シリアルＮｏ．０７／
８４１，０２１に記載されたものとすることができ、本明細書においては、上記
米国特許出願を参照する。
電気脱イオンユニットを組み立てる際には、アルミニウムの端部プレートで裏
当てされた成形ポリプロピレンの端部ブロックの間に、上記各セル対を積み重ね
て圧縮する。上記端部プレートは、上記端部プレートの周囲に沿って設けられる
タイバーによって、互いに関して取り付けられる。上記端部ブロック、端部プレ
ート及びタイバーは、閉鎖機構と呼ばれる。
上述の電気脱イオン装置は、商業的に広い用途が見い出されているが、現在の
セルの設計には幾つかの欠点が存在する。例えば、希釈スペーサの両側に設けら
れる隔膜の作用領域は、各々の流通路の境界として作用する領域である。一般に
、隔膜の全作用領域すなわち作用面積は、約１，７９３ｃｍ2 （２７８平方イン
チ）であり、この面積は、隔膜の全面積の約５０％でしかない。残りの５０％の
隔膜
の面積は、使用することができず、その理由は、そのような面積すなわち領域は
、スペーサの不透過性の領域に接触しているか、ガスケット又は接着剤によって
シールされているからである。電気脱イオン装置の全体的な効率は、イオン交換
に使用可能な隔膜の全面積に部分的に依存するので、イオン交換性能は、使用で
きない隔膜の表面積を極力減少させることにより、向上させることができる。セ
ル対を通る流量が、最少流量から最大流量へ変化する時には特に、通路全体に流
れを分配することも関心事である。
個々の電気脱イオンユニットの流量キャパシティ（処理流量）は、セル対を増
やすことによってのみ増大させることができるが、これは、上記閉鎖機構を分解
してセル対を挿入することを必要とすると共に、より長いタイバーを装着するこ
とを必要とする。
最後に、各セル対の周辺部は、周囲環境からシールする必要がある。これは、
一般にはエラストマである接着剤を用いて行う。現在の矩形の電気脱イオンモジ
ュールは、時として、漏洩を受けることがあり、これは、内側ケーシングの中に
収容された小型の電気脱イオンユニットの場合には特に、望ましくない。
従って、イオン交換膜を最大限に利用することを可能とする電気脱イオン装置
に対する需要が存在する。
また、それぞれの希釈隔室と濃縮隔室との間にシールを保持するための、より
簡単でより確実な手段を有する電気脱イオン装置に対する需要も存在する。
モジュール型の設計の電気脱イオン装置に対する別の需要も存在する。
更に、より高いレベルの自動操作を用いて製造することのできる電気脱イオン
装置に対する需要も存在する。発明の摘要
本発明は、新規なモジュール型の設計を有する電気脱イオン装置に関する。す
なわち、本発明の電気的な脱イオン装置は、概ね円盤状の形態を有する濃縮セル
及び希釈セルを備える。個々のセルは、円形、あるいは、例えば六角形の如き多
角形とすることができる。流れが、モジュールの一端部から他端部まで概ね平行
である通常の矩形の電気脱イオンモジュールとは異なり、濃縮セル及び希釈セル
を通るプロセス流れの流通路は、半径方向である。この流通路は、例えば、プロ
セス流れに螺旋状のあるいは円弧状の流通路をもたらすバッフルすなわち邪魔板
の如き通路手段をモジュールに設けることにより、長くすることができる。
本発明の電気脱イオン装置は、種々の理由から、自動化された製造に適してい
る。そのような理由の中でも、新規なモジュールの設計が、隔室にイオン交換樹
脂を充填すなわち装填する前に、完全な電気脱イオンのスタックを組み立てるこ
とを可能とする。上記スタックを組み立てると、該スタックをその軸線の周囲で
回転させながら、スラリの形態の樹脂のサスペンションをスタックの中央のポー
トを介してスタックの中へ圧送することにより、樹脂の充填を行うことができる
。上記回転力は、充填すべき隔室の中で樹脂を均一に分配させる。モジュールは
、スロット付きの外周部あるいは流通路を有しており、これらスロット付きの外
周部あるいは流通路を通って、プロセス流れが各々のモジュールに入る。このよ
うな構造の結果、充填の際には、上記樹脂のキャリア液体が、大きなバリアすな
わち障壁に遭遇することはなく、充填された樹脂を通って流れ、上記スタックの
外周部を通って各セル対から出る。
充填サイクルの間に、スラリの組成が変わることがあるので、樹脂の組成又は
ビーズのサイズは、各セルの中における樹脂の半径方向の位置の関数として、任
意に設定することができる。これは、例えば、樹脂の組成、あるいは、ビーズの
サイズを、各セルにわたって、ある勾配で変えることを可能とする。
また、本発明の設計は、より望ましい閉鎖機構を可能とし、この閉鎖機構にお
いては、各セル対が、端部プレートの間で圧縮されており、上記端部プレートは
、これら端部プレートの周囲に設けられた中央のロッド、あるいは、タイバー、
又はクランプ等によって、一体に保持することができる。モジュールは、概ね円
盤状の形状を有しているので、上記端部プレートも、そのような形態を有するこ
とになる。端部プレートはまた、均一で線対称の応力を生ずるドーム形状を含む
ことができる。上記円盤状のモジュールはまた、圧力ハウジングとして、円筒形
のシェル（外殻）又はパイプを用いることを可能とする。
最後に、円盤状のあるいは六角形状のモジュールの射出成形は、矩形の形状を
有するモジュールに比較して、設計するのがより簡単であるので、本装置は更に
、製造プロセスを単純化する。すなわち、モジュールを形成するために使用され
る
融解プラスチックは、充填すべき窮屈なコーナー部がないので、半径方向内方あ
るいは半径方向外方へ流れることができる。
従って、本発明の一つの目的は、概ね円盤状の希釈隔室及び濃縮隔室を備えた
、電気脱イオン装置を提供することである。
本発明の別の目的は、プロセス流れの流通路が、半径方向あるいは螺旋方向す
なわち渦巻方向である、電気脱イオン装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、自動化技術を用いて組み立てることのできる、電気
脱イオン装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、樹脂が充填された隔室を備え、その樹脂の組成が、
その隔室にわたって不均一である、電気脱イオン装置を提供することである。
本発明の他の目的は、イオン交換膜の使用可能なイオン交換面積を極力大きく
する、電気脱イオン装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、濃縮隔室と希釈隔室との間に漏洩が生ずる可能性を
低減あるいは排除する、電気脱イオン装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、射出成形によって形成されるイオン交換隔室を備え
た、電気脱イオン装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、そのスタックを組み立てた後に、イオン交換樹脂を
充填することのできる隔室を備えた、電気脱イオン装置を提供することである。
本発明の上記及び他の目的並びに特徴は、添付の図面及び発明の詳細な説明の
項において、より詳細に説明する。図面の簡単な説明
図１は、通常の電気脱イオン装置の分解図であり、
図２は、電気脱イオン装置を通るプロセス流れの流通路の概略図であり、
図３は、本発明の電気脱イオン装置の一実施例の概略図であり、
図４は、本発明の電気脱イオンセルのスペーサの一実施例の概略図であり、
図５は、図４に示す装置の一実施例の概略図であり、
図６は、本発明の電気脱イオンセルのスペーサの第２の実施例の概略図であり
、
図７は、本発明の電気脱イオン装置の第２の実施例の概略図である。発明の詳細な説明
従来技術の電気脱イオン装置においては、そのような装置は、アノードと、カ
ソードと、これらアノード及びカソードの隔室と、一連の濃縮隔室と、一連の減
少隔室とを備えている。
図１を参照すると、従来技術の一つの電気脱イオン装置１０は、電極９及び電
極１１によってその境界が形成された、１つのステージ１２を備えている。端部
プレート１３に隣接しているのは、電極９及び所望の分配装置（マニホールド）
を収容する端部ブロック１７である。電極スペーサ１８が、端部ブロック１７に
隣接して設けられており、上記電極スペーサ１８は、この電極スペーサを通る液
体の乱流を生じさせるスクリーン１９を備えている。イオン透過膜２０が、電極
スペーサ１８の外周部２１にシールされている。可撓性材料から形成されたスペ
ーサ２２が、スクリーン２４を備えている。上記スペーサ及びスクリーン２４は
、本電気脱イオン装置の濃縮隔室を備えている。
減少隔室の構造体は、イオン透過膜２６と、剛性材料から形成されたスペーサ
２８と、イオン透過膜３０とを備えている。イオン透過膜２６、３０は、スペー
サ２８の両面で、該スペーサ２８の外周部３２にシールされている。イオン交換
樹脂のビーズ３４が、リブ（図示せず）を備える中央の空所の中に収容され、隔
膜２６、３０によって、該中央の空所の中に保持されている。ステージ１２の中
で純化すべき液体が、スペーサ２２、２８、並びに、隔膜２６、３０を備える少
なくとも１つのユニットに通される。スペーサ２２、２８、並びに、隔膜２６、
３０を備える上記ユニットは、通常は５乃至２５０の個数だけ繰り返され、ステ
ージ１２の中に、合理的な液体流通容積をもたらしている。可撓性材料から形成
されたスペーサ３８、並びに、スクリーン２４及びイオン交換膜４０が、端部の
濃縮隔室を形成している。電極スペーサ４２が、電極１１を収容する端部ブロッ
ク４４に隣接して設けられている。端部プレート５０が、電極スペーサ４２に隣
接する側とは反対側で、端部ブロックの電極アセンブリに隣接して設けられてい
る。ボルト５６、５８、６０、並びに、第４のボルト（図示せず）が、装置１０
の全長にわたって伸長し、装置の要素を適所に保持している。
図２を参照して、電気脱イオン装置の種々の隔室を通る液体の流通路を説明す
る。２ステージ型のすなわち二段式のデバイスが示されているが、単段式の又は
多段式のデバイスを用いることもできる。純化すべき液体が、入口６２に入って
、第１の減少隔室２２を通り、次に、第２の減少隔室２８を通る。液体は、製品
流れの出口６４から回収される。濃縮液体が、入口６６に入って、濃縮隔室２２
を通り、次に、廃棄流れの出口６８を通ってドレーンに至る。液体電解質が、入
口７０から電極隔室１９、４２に循環され、出口７２を介してドレーンへ廃棄さ
れる。
本発明の電気脱イオン装置の一実施例が、図３に示されている。図３において
は、電気脱イオン装置１００は、圧力容器１０６の中に収容されて交互に設けら
れる、一連の減少隔室１０２及び濃縮隔室１０４を備えている。各々の隔室１０
２、１０４は、例えば、円形又は六角形の形状であるのが好ましい、概ね円盤状
の形態を有するように製造されている。隔室１０２、１０４は、交互に積み重ね
られて、中央のタイロッド１０８の周囲にセル対を形成しており、各隔室は、交
互に設けられるアニオン性の交換膜及びカチオン性の交換膜によって、分離され
ている。従って、例えば、隔室スタックの任意の中央部分１０５において、隔室
及び隔膜から成る連続体を以下の順序で繰り返すことができる。すなわち、濃縮
スペーサ、カチオン性の交換膜、希釈スペーサ、及び、アニオン性の交換膜の順
序である。カチオン性の交換膜及びアニオン性の交換膜は、希釈スペーサ及び濃
縮スペーサの一方又は両方に取り付けることができるが、隔膜が、希釈隔室を構
成するスペーサに取り付けられている形態が好ましい。
本装置を、本明細書で参照する米国特許第４，９５６，０７１号（Ｇｉｕｆｆ
ｒｉｄａ ｅｔ ａｌ．）に詳細に記載されている如き、極性反転モードで運転
する場合には、希釈隔室及び濃縮隔室は、希釈スペーサ及び濃縮スペーサと同様
に、同一である。そのような場合には、上記両隔室は、奇数のイオン透過膜から
各々形成された「二重隔室」と呼ぶことができる。イオン透過膜は、アニオン性
の透過膜及びカチオン性の透過膜が、二重隔室のスタックの軸方向の厚みに沿っ
て、交互に設けられるように配列される。
通常の装置、及び、極性反転型の装置の両方において、交互に設けられた隔室
スタックの両端部には、端部プレート１１０、１１２が設けられ、これら端部プ
レートは、例えば、ネジ付きのナット１１４、１１６によって、タイロッド１０
８の端部に保持されている。このアセンブリの一方又は両方の端部には、バネワ
ッシャ１１８を設けることができ、このバネワッシャは、少なくとも一方のナッ
トと隣接する端部プレートとの間に位置し、アセンブリに弾性的な圧縮を与えて
る。端部プレート１１０、１１２は、圧力容器１０６の内部に概ね対応する断面
を有している。端部キャップ１１０、１１２にそれぞれ形成された溝１２４、１
２６の中に、Ｏリング１２０、１２２を設け、これにより、各々の端部キャップ
を圧力容器の中で効果的にシールすることができる。そうではなく、上記デバイ
スをシールするための手段は、逆浸透装置で使用される如き、標準的な圧力容器
の端部キャップに適合するように設計することができる。
入口ポート１２８が、端部キャップ１１０、１１２の間の適当な点において、
圧力容器１０６に設けられている。そうではなく、入口ポート１２８は、端部キ
ャップの一方に設けることができる。入口ポート１２８は、装置の外部と供給チ
ャンバ１３０との間に連通をもたらし、該供給チャンバは、濃縮／希釈隔室のス
タックの外周と圧力容器１０６の内部との間の領域として形成された、スペース
を備えている。
使用の際には、プロセス流れは、入口ポート１２８を通って流れ、プロセス流
れチャンバ１３０に入る。プロセス流れは、上記プロセス流れチャンバから、希
釈隔室及び濃縮隔室の各々の外周部からそれぞれの中央に向かう半径方向に、希
釈隔室及び濃縮隔室の中へ流入する。希釈隔室及び濃縮隔室は、交互に積み重ね
られているので、希釈隔室の外周部に押圧されるプロセス流れの部分は、希釈隔
室の中へ入って希釈流となり、一方、濃縮隔室の外周部に押圧されるプロセス流
れの部分は、濃縮隔室の中へ入って濃縮流となる。
通常の電気脱イオン装置と同様に、希釈隔室の一方の表面は、アニオン性の透
過膜によって形成され、一方、希釈隔室の反対側の表面は、カチオン性の透過膜
によって形成されている。上述の係属中の米国特許出願シリアルＮｏ．０７／６
２８，３３８において言及されているような特殊な用途に関しては、アニオン性
の隔膜及びカチオン性の隔膜を、中性の隔膜で置き換えることができる。端部キ
ャップ１１０、１１２の中にそれぞれ設けられ、外部電源（図示せず）に接続さ
れた電極１３２、１３４が、隔膜スタックの前後に電流を与える。電極１３２、
１
３４は、環状であるのが好ましく、各々の端部キャップの内方を向いた部分に形
成された環状の凹所の中に収容されるのが好ましい。各々の電極の電極入口１３
６、１３８、及び、電極出口１４０、１４２が、上記電極と隔室スタックとの間
に流体連通をもたらす電極隔室１４４、１４６に液体を供給する流れをもたらす
。電極スクリーン１４８、１５０を各々の電極隔室の中に設け、各々の電極隔室
の中の液体流れに乱流を生じさせることができる。いずれかの電極に直ぐ隣接す
る隔膜は、電解質溶液を、希釈するのか、濃縮するのか、あるいは、一定の濃度
に保持するのかに応じて、カチオン性の隔膜、アニオン性の隔膜、あるいは、中
性の隔膜とすることができる。
電極は、駆動力を生じ、この駆動力は、希釈流の中に含まれているカチオン（
陽イオン）を、カチオン性の透過膜を通して、このカチオン性の透過膜に隣接す
る濃縮流の中へ輸送する。同様に、上記電極は、希釈流の中のアニオン（陰イオ
ン）をアニオン性の透過膜を通して、このアニオン性の透過膜に隣接する濃縮隔
室の中へ輸送する。従って、希釈流が、各々の希釈隔室の中心に向かって、内方
へ流れる際に、そのような希釈流は、イオンを剥奪され、従って、純化される。
これとは反対に、濃縮流は、イオン富化を受け、そのイオン濃度が高められる。
希釈隔室１０２及び濃縮隔室１０４は共に、製品流れ出口１５２、及び、廃棄
流れ出口（図３には示されていない）をそれぞれ形成するための手段を備えてい
る。製品流れ出口１５２は、各々の希釈隔室１０２と流体連通しており、各々の
濃縮隔室１０４と流体連通することなく、これら濃縮隔室を素通りできるように
構成されている。同様に、廃棄流れ出口は、各々の濃縮隔室１０４と連通し、希
釈隔室１０２と連通することなく、これら希釈隔室を素通りできるように構成さ
れている。
希釈隔室又は濃縮隔室に使用される代表的なスペーサの一実施例が、図４に示
されている。隔室が、スペーサ１５４によって概ね形成されており、このスペー
サは、例えば、ポリオレフィン又はフッ化炭化水素ポリマーの如き、比較的不活
性な熱可塑性ポリマーから形成される。図４に示すスペーサは、六角形の形状を
有するように構成されているが、上述のように、そのような形状に限定する意図
はない。スペーサの外周部は、複数のスロット付きの隔室入口１５６を備えてお
り、これら隔室入口は、プロセス流れが、供給チャンバ１３０から隔室の中へ流
入するのを許容する。複数の湾曲したバッフル（邪魔板）１５８が、隔室入口と
スペーサの中心との間に、比較的湾曲した流通路１５９を形成している。各々の
スペーサ１５４は、タイロッド１０８を収容するための軸方向の孔１６２を包囲
する中央ハブ１６０を備えている。希釈隔室の場合には、上記ハブ１６０は、希
釈流が、隔室を通って製品流れ出口１５２に入るのを許容する出口ポート１６４
と、濃縮流が、隔室に連通することなく、該隔室を素通りするのを許容する通過
通路１６６とを備えている。
同様に、スペーサ１５４が濃縮隔室を形成する場合には、出口ポート１６４が
、濃縮流が廃棄流れ出口の中へ流れることを許容し、一方、通過通路１６６は、
製品流れを濃縮隔室から隔離した状態で、濃縮隔室を通る製品流れの流通路を形
成する。
電気脱イオン装置においては、隔室の少なくとも希釈隔室に、イオン交換樹脂
が充填されるので、スペーサ１５４の各邪魔板１５８の間のスペースが、イオン
交換樹脂を収容することになる。また、イオン交換膜が、図示のように、スペー
サの上方及び下方に設けられることになる。従って、例えば、アノードが、図４
の隔室に対して、該図面の紙面の上方に位置し、また、カソードが、該紙面の下
方に位置している場合（希釈隔室の場合）には、スペーサの頂面は、アニオン性
の透過膜に接触し、スペーサの底面は、カチオン性の透過膜に接触することにな
る。
上述のように、図４のスペーサが、希釈隔室１０２を形成する場合には、濃縮
隔室１０４を形成する各スペーサは、図４のスペーサの両側に設けられることに
なる。各々の濃縮隔室のスペーサは、希釈隔室のスペーサと同一になるように形
成することができる。スタックの組み立ての際には、隣接するスペーサを、タイ
ロッド１０８の周囲で、隣接するスペーサに対して相対的に、約６０゜回転させ
、これにより、他の総てのスペーサの通過通路が、各々のスペーサに隣接する隔
室と連通できるようにする。その結果、各々の隔室が、隣接する隔室から隔離さ
れるが、偶数のスペーサから離れている隔室と流体連通している、セルスタック
が構成される。
濃縮隔室の場合には、各邪魔板の間のスペーサには、イオン交換樹脂を充填す
る必要はないが、じきに説明する理由から、樹脂が充填された濃縮隔室を設ける
ことが望ましい場合がある。
本発明の設計は、矩形の隔室を用いる従来技術の電気脱イオン装置に比較して
、幾つかの利点をもたらす。例えば、円形又は六角形のセルの設計は、希釈流及
び濃縮流の半径方向内方に向かう流通路を形成する。この半径方向内方に向かう
流れは、極めて優れた流れの分配を生じさせる。また、希釈流及び濃縮流が、各
々の隔室の中央ハブにあるそれぞれの出口に向かって流れるので、線速度、従っ
て、物質移動速度が増大する。
また、通常の電気脱イオン装置とは異なり、希釈チャンバ（希釈隔室）と濃縮
チャンバ（濃縮隔室）との間のシールは、各セル対の中心にある出口の周囲で行
うだけで良い。各々の隔室のスペーサの周部は、流入口（均一なプロセス流れか
らの）を形成するので、通常の電気脱イオン装置の場合のように、各々の隔室の
縁部をシールする必要性は、排除される。これは、二重の効果をもたらす。第一
に、各々の隔室の間に広がるシールを設ける必要がなくなっているので、組み立
てプロセスが大幅に簡素化される。第二に、シール作業が極めて少なくなる（ス
ペーサの中心の周囲にだけ必要とされるので）ので、隔膜とスペーサとの間をシ
ールすることにより生ずる、隔膜の表面積のロスすなわち損失が、排除される。
イオン交換には、シールされていないイオン交換膜だけを用いることができるの
で、隔膜のシール作業が極めて少なくなることは、隔膜の単位面積当たりの交換
面積が、より効果的になる。これは、本デバイスの構造に使用される隔膜の単位
面積当たりの隔膜効率を増大することに、直接繋がる。
また、本設計は、圧力容器の中で使用するのに、より適している。これにより
、外部の漏洩が事実上排除され、また、タイロッドによる、より簡単でより効果
的な閉鎖機構がもたらされ、更に、必要に応じて再調整又は交換を行うために、
容易に取り外すことのできる、積み重ねられた希釈隔室及び濃縮隔室から成るカ
ートリッジを有するユニットを提供することができる。
上述のように、希釈隔室に、また、場合よっては、濃縮隔室にも、イオン交換
樹脂が充填される。そのような樹脂は、隔室スタックを組み立てる前に、好まし
くは、隔室スタックを組み立てた後に、それぞれの隔室の中に設けることができ
る。樹脂の充填は、スラリの形態の樹脂のサスペンションを、製品流れ出口を介
して、また、濃縮隔室を充填する必要がある場合には、廃棄流れ出口を介して、
スタックの中へ圧送することにより、実行される。樹脂の充填の間には、積み重
ねられた隔室は、それぞれの中心軸線の周囲で、回転される。そのような回転力
は、充填すべき隔室の中にスラリを分配する。スロット付きの周部（すなわち、
隔室入口）は、樹脂を保持し、一方、キャリア液体を、充填された樹脂を通して
、スタックから流出させる。各セル対が充填されると、多孔質のスラット（細長
い薄板）を充填ポートの中央に挿入し、上記樹脂を隔室の中に収容する。上記ス
ラットにはスロットを形成し、これにより、細かい樹脂で通路が閉塞される可能
性を極力少なくするのが好ましい。
上述の充填技術は、充填サイクルの間に、スラリの組成を変えることを可能と
する。従って、樹脂の組成は、セルの中の樹脂の半径方向の位置の関数として、
任意に調節することができる。
スペーサの寸法及び設計、特に、希釈スペーサは、最適化しなければならない
。約１０２ｍｍ（４インチ）程度の流通路しか必要としない、電気脱イオン研磨
用途に関しては、純粋な半径方向の流路、並びに、約２２４乃至２５４ｍｍ（９
−１０インチ）の直径を有するディスク又は多角形を用いることができる。通路
の長さを増大する必要がある用途においては、図４の湾曲した邪魔板を用いて、
その通路長さを約３３０ｍｍ（１３インチ）あるいはそれ以上まで増大させるこ
とができる。
上述のように、濃縮隔室は、イオン交換樹脂を含むことができる。そうではな
く、濃縮隔室には、不活性なすなわちイオン導電性のスクリーンすなわち網を単
に充填し、隔室の中に乱流を発生させることができる。これも上述したように、
希釈隔室及び濃縮隔室の間のシールは、各セル対の中心付近の出口の周囲にだけ
必要である。シール操作は、接着剤、溶剤接合、熱、超音波溶接、誘導溶接、及
び、他のポリマー材料接合方法により、実行することができる。
本発明の設計は、従来技術の矩形のセル対よりもかなり高い隔膜の利用率を達
成する。円盤状の各セル対用の円形の隔膜は、各々の円の中心を六角形のパター
ン（六角形の最密充填）に配列した状態で、隔膜のシートから切り出すことがで
き、これにより、隔膜の廃棄率は、約１０％にしかならない。六角形、方形ある
いは矩形の隔室の設計の場合には、イオン交換膜は、複数の六角形、方形又は矩
形の形状にそれぞれ切り取ることができ、隔膜材料は、事実上廃棄されない（無
駄がない）。隔膜の効果的な領域の追加のロスは、スペーサの中央ハブの領域、
並びに、総ての邪魔板の下の領域においてのみ生ずる。
上述のように、希釈隔室及び濃縮隔室に使用されるスペーサは、同一のものと
することができるが、必ずしもそのようにする必要はない。例えば、用途に応じ
て、希釈隔室及び濃縮隔室の厚みは、互いに変えることができる。例えば、極性
反転モードで装置を運転することが望ましい用途においては、希釈スペーサ及び
濃縮スペーサは、同一の形状及び厚みを有することができる。非反転型の用途の
場合には、濃縮隔室を形成するために使用されるスペーサを、希釈隔室を形成す
るために使用されるスペーサよりも薄くし、高い回収条件で適正な流速を確実に
生じさせることができる。
濃縮隔室が、イオン交換樹脂で充填される場合には、より大きな物質移動速度
、より良好な製品の品質、並びに、セル対当たりのより小さな電気抵抗を得るこ
とができる。
また、イオン交換樹脂を収容する濃縮隔室の使用は、装置を極性反転モードで
運転することを可能とする。このモードにおいては、電極の極性を逆転すなわち
反転させ、これにより、アノードを備える電極をカソードに変更させ、また、カ
ソードを備える電極をアノードに変更させることができる。そのような反転すな
わち逆転が生ずると、減少隔室は、濃縮隔室になり、また、濃縮隔室は減少隔室
になる。隔室が切り替えられるので、製品出口は、廃棄流れ出口となり、廃棄流
れ出口は、製品出口になる。極性反転モードにおける本装置の作用は、本装置の
中における微粒子、有機物及びスケール（垢）の発生を防止することのできるシ
ステムすなわち装置をもたらす。極性反転型の運転に関するより詳細な説明は、
米国特許第４，９５６，０７１号（Ｇｉｕｆｆｒｉｄａ ｅｔ ａｌ．）に記載
されており、本明細書においては、上記米国特許を参照する。
極性反転モードにおける電気脱イオン装置の運転は、効果的であり、家庭用の
軟水器の如き、家庭的な用途に良く適した装置を提供する。そのような装置の１
つが、図５に概略的に示されている。
図５においては、図３に示す如き電気脱イオン装置１００が、サージタンク１
８０の１つの壁部に組み込まれており、従って、圧力容器を必要としていない。
井戸又は都市の上水道の如き供給源からの水が、ソレノイド作動型の、あるいは
、モータ作動型の弁１８１、及び、逆止弁１８２を通って、サージタンク用の入
口／出口パイプ１８４の中に流入する。ワンパス型（一回だけ通過させる）の用
途においては、サージタンク１８０の内圧が、原水を電気脱イオン装置１００に
通し、その原水を純化させる。次に、純化された水は、製品パイプ１８６を介し
て、その後の処理段階（処理ステージ）又はユーザヘ供給することができる。
そうではなく、循環型の用途においては、電気脱イオンスタックからの排出水
は、循環ポンプ１８８を介して、サージタンク１８０へ戻るように循環される。
サージタンクを用いることにより、ピーク流量の需要を満足させることができ、
同時に、比較的小型の電気脱イオンユニットを連続的に運転して、タンクの内容
物を脱塩すなわち純化することができる。小型の電気脱イオンユニットを可能と
することにより、本装置の全体的なコストを低減することができる。
使用の際には、電気脱イオン装置１００から出た希釈流は、循環ライン１９０
を介して、循環ポンプ１８８へ供給される。製品水は、最終的には、入口／出口
パイプ１８４を介して、タンク１８０から引き出すことができる。そうではなく
、切り替え機構すなわち弁機構を装置に追加し、これにより、ワンパス型の用途
と同様に、製品パイプ１８６を介して、循環流から製品水を引き出す選択枝をユ
ーザに与えることができる。廃棄物パイプ１９２が、濃縮された廃棄流れをサー
ジタンクから出して、ドレーンへ通すことができるようにする。
また、図５に示す装置は、極めて大量の水が必要とされる場合、あるいは、電
気脱イオンを必要としない水が必要とされる場合には、サージタンク及び電気脱
イオン装置を完全にバイパス（迂回）させることにより、余剰水をユーザへ直接
流すことを可能とする。
サージタンク１８０から、入口／出口パイプ１８４を介して、ユーザに脱イオ
ン水を供給する場合には、ソレノイド作動型の、あるいは、モータ作動型の弁１
８１は、閉じられる。そうではなく、サージタンク及び電気脱イオンユニットを
バイパスして、供給源すなわち水源からの水を直接使用しようとする場合には、
弁１８１は開放される。
本発明の別の実施例が、図６に示されている。図６は、プロセス流れが、それ
ぞれの希釈隔室及び濃縮隔室に入る前に、上記プロセス流れを希釈流及び濃縮流
に分けるようになされたスペーサ２５４を示している。じきに説明するように、
図６に示すタイプのスペーサ２５４は、図４の実施例のスペーサに比較して、有
用な隔膜表面積を減少させるが、外部の圧力容器を排除することを可能とし、モ
ジュールを通るツーパス型（２回通過する）の流通路に適した装置を提供し、こ
れにより、全体的なプロセス効率を向上させる。
図６に示すスペーサ２５４は、濃縮隔室又は希釈隔室に使用することができる
。しかしながら、説明を簡単にするために、図６のスペーサは、希釈隔室に使用
される場合について説明する。
スペーサ２５４は、ポリプロピレンの如き、比較的不活性な熱可塑性ポリマー
から形成される。このスペーサは、隔室を通る流通路２５９を形成する複数の湾
曲した邪魔板２５８を備えた、比較的すなわち概ね円形の形状を有するように設
計されている。希釈流は、セルの外周部から隔離された希釈流入口２５６を介し
て、希釈隔室の中へ供給される。上記入口は、プリチャンバ（予備室）の壁部２
６１によって形成される希釈流プリチャンバ２５７と連通している。希釈流プリ
チャンバ２５７は更に、複数の混合バリア２６０を備えており、これら混合バリ
アは、上記プリチャンバを通る希釈流を混合し、よどみゾーンすなわち不均一な
圧力の領域の形成を防止する。上記チャンバは更に、複数の入口スロット２６２
を備えており、これら入口スロットは、希釈流が、個々の流通路２５９に入る際
に、該希釈流を更に混合する。
運転の際には、希釈プロセス流れが、モジュールに入り、図６の方向に直交す
る方向において、希釈流入口２５６を通過する。希釈隔室に出会うと、その流れ
の一部は、希釈流入口２５６からプリチャンバ２５７に入る。次に、この流れは
、、入口スロット２６２を通って、流通路２５９に流入し、この流通路において
、電気脱イオンプロセスを受け、該プロセスによって、汚染物成分は、隣接する
濃
縮隔室の中へ搬送される。図４に示すスペーサの場合と同様に、希釈流は、製品
流れ出口２５２を介して、チャンバを出る。同時に、濃縮流が、濃縮流入口２６
４、並びに、増大した濃縮流を収容する濃縮流通過通路２６６を通って流れ、そ
の際に、濃縮流と希釈流との間の連通が防止される。希釈流出口２５２、及び、
濃縮流通過通路２６６は、ハブ２６８の中に収容される通路によって形成され、
上記ハブは、上述の態様でスペーサをスタックの形態に保持するためのタイロッ
ド２７２を収容するための軸方向の孔２７０を有している。
上述の実施例においては、濃縮流出口及び希釈流出口の流れは、互いに隔離さ
れていたが、濃縮隔室及び希釈隔室のプロセス流れ入口は、共通の供給源を共有
していたことに留意する必要がある。反対に、図６の実施例においては、希釈流
入口（あるいは、濃縮隔室を有するスペーサの場合には、濃縮流入口）は、物理
的に互いに分離されている。従って、スペーサの外周部で、原料流れを希釈成分
及び濃縮成分に分割するのではなく、図６に示すスペーサは、隔室スタックの上
流側のある点で、プロセス流れを希釈成分及び濃縮成分に分けることを必要とす
る。これにより、標準的なデバイス、及び、極性反転型のデバイスの両方に関し
て、濃縮物の循環を行うことが可能となり、これにより、濃縮物の流れの高い速
度を可能にすると同時に、高い水の回収率を維持するという利点がもたらされる
。
上記早期の分離の結果として、スペーサは、その外周部でシールする必要があ
る。隔室スタックの上面及び下面に隣接して設けられるイオン交換膜も、それぞ
れの外縁部に沿ってシールされるようになり、これにより、シールされない隔膜
の面積が減少する結果、隔膜の全体的な効率が減少する。しかしながら、隔膜の
表面積が幾分失われるが、隔膜の効率は、通常の電気脱イオン装置の効率よりも
、依然として高い。また、本設計は、電気脱イオンモジュールを通るツーパス型
の流通路の可能性をもたらす。そのような形態すなわち構造が、図７に示されて
いる。
図７は、濃縮隔室３０４及び希釈隔室３０２から成るスタックを通るツーパス
型の流通路を備え、除去機能が向上されたシステムを提供する、電気脱イオン装
置３００を示している。そのような設計は効果的であり、希釈流のツーパス型の
流れは、与えられた寸法のモジュールに関して、より高い製品の品質をもたらす
か、あるいは、ある品質を達成するに必要なモジュールの寸法の減少をもたらす
。従って、そのような設計は、モジュールが、より小さなカートリッジの形状を
有しながら、同一の除去率を達成することを可能とする。
同様に、濃縮流のツーパス型の流れは、濃縮隔室におけるイオンの高い回収率
を可能にすると同時に、濃縮物循環ポンプを用いることなく、濃縮隔室の中に、
必要とされる大きな流量速度維持する。じきに説明するように、そのような設計
はまた、濃縮隔室及び希釈隔室から成るスタックを収容するために、圧力容器を
用いる必要性を排除する。そのような設計は、上述のシングルパス（ワンパス）
型のアセンブリの隔膜利用率よりも低い隔膜利用率（約６５％）を生ずるが、そ
のような隔膜利用率は、通常の電気脱イオン装置を用いて達成することのできる
隔膜利用率よりも依然として高い。図７に示すように、電気脱イオン装置３００
は、交互に設けられる希釈隔室３０２及び濃縮隔室３０４を備えており、これら
希釈隔室及び濃縮隔室は、一緒に積み重ねられ、端部キャップ３１０、３１２に
よって、中央のタイロッド３０８の周囲に保持される。上述の実施例と同様に、
ナット３１４、３１６、並びに、これらに関連するバネワッシャ３１８を用いて
、隔室スタックの両端部をシールする。電極１３２、１３４は、上述したような
電極である。
電気脱イオンモジュールのツーパス型の運転は、電気脱イオンスタックの中の
ある点で、原料入口を通る流れを選択的に阻止することにより、行うことができ
る。図７に示す例では、スタックの第１の半部３２０においては、希釈流が、希
釈隔室の周囲からその中心に向かって内方へ流れ、また、スタックの第２の半部
においては、希釈流が、中心から周囲へ向かった流れ、これにより、モジュール
を通る流通路の効果を倍増させている。流れは、流入口をもたない分離スペーサ
３２４を設け、このスペーサを電気脱イオンスタックの２つの半部３２０、３２
２の間の分割線に位置決めすることにより、容易に阻止することができる。
出口だけがシールを必要とする図４とは異なり、希釈流と濃縮流との間のシー
ルは、セル対の中心の出口ポート、並びに、各セルの外周部の周囲に設けられた
入口スロットにおいて必要である。各セル対をスタックに組み立てた後に、希釈
スペーサ及び濃縮スペーサの外周部は、融接、あるいは、後に述べる他の方法に
よって、シールすることができる。上述の例と同様に、濃縮隔室及び希釈隔室に
イオン交換樹脂が充填される場合には、装置は、極性反転モードで使用できるよ
うにすることができる。
上述の電気脱イオンスタックを製造するための１つの方法は以下の通りである
。上述の第１の実施例の場合には、未調整の乾燥したカチオン性の交換膜及びア
ニオン性の交換膜を、中央ハブの出口ポートの周囲で、希釈スペーサに接合し、
これにより、希釈流出口ポート及び濃縮流出口ポートが、互いに隔離すなわち絶
縁される。接合は、接着剤、溶剤、超音波溶接、融接、あるいは、他の適宜な方
法によって、行うことができる。セル対は、接合された隔膜を有する各々の希釈
スペーサの頂部の１つの濃縮スペーサと共に組み立てられる。セル対は、出口ポ
ートの周囲でだけ、超音波溶接又は他の方法によって、互いに接合される。組み
立てた後に、セル対から成るスタックは、隔膜調整タンクの中へ浸漬され、当該
技術分野で周知のように、隔膜を調整する。
モジュールの組み立てプロセスの間に、該モジュールは、隔膜の調整の間に、
完全に締め付けてはならないことに注意する必要がある。その理由は、そのよう
な完全な締め付けは、隔膜に皺を形成することがあるからである。従って、モジ
ュールは、緩められた状態で調整されるのが好ましく、その理由は、その調整作
業の間に、隔膜が膨張することができるからである。隔膜を調整した後に、モジ
ュールを完全に締め付けることができる。
隔膜の調整プロセス、並びに、モジュールの締め付けプロセスの後に、スタッ
クをその中心軸線の周囲で回転させる装置にスタックを装着し、その回転と同時
に、イオン交換樹脂の希釈されたスラリを、中央ハブの出口ポートを介して、希
釈隔室の中へ導入する。そのスラリは、出口マニホールドを下って、前後に伸長
するチューブで分配することができ、これにより、個々の隔室の中へ均一な樹脂
の流れを確実に入れることができる。
スラリ中のアニオン性の樹脂、及び、カチオン性の樹脂の割合は、キャリア流
体へ入るそのような樹脂を別個に計量することにより、連続的に変化させること
ができ、これにより、隔室の中の各樹脂の成分勾配すなわち組成勾配をもたらす
ことができる。上記スタックの回転によって生ずる遠心力が、スラリを各隔室の
中へ均一に分配する。上記樹脂は、スペーサのスロット付きの外周部によって保
持され、スラリのキャリア流体は、充填された樹脂を通って流れ、セル対のスタ
ックの外周部を通ってセル対の外へ出る。セル対が充填された後には、多孔質の
スラットを、中央の充填ポートの中へ挿入し、その樹脂を収容させることができ
る。上記スラットは、樹脂の細かい成分すなわち組成によって通路が閉塞される
可能性を極力少なくするように、スロットを有しているのが好ましい。また、上
記スラットは、取り外し可能とし、これにより、使用の間に、樹脂が腐ったり、
閉塞したり、あるいは、損傷を受けた場合には、流動化及び逆洗によって、樹脂
の交換を可能とするように設計することができる。
セルスタックの組み立て及び充填の後に、電極を含む端部プレートを追加し、
完成されたスタックを、スタックの中心を通るロッドによって、圧縮させる。上
述のように、上記ロッドの両端部には、ネジが形成されており、ロッドの端部の
各ナットとの間にバネワッシャを追加し、これにより、スタックに作用する圧縮
力を維持することができる。次に、完成されたモジュールを、圧力容器の中へ挿
入して使用できるようにする。
極性反転型のセルの場合には、その製造プロセスは、濃縮隔室にも、同じ方法
を用いてイオン交換樹脂を充填する点を除いて、上述の方法と同一である。濃縮
隔室が希釈隔室よりも薄くすることのできる、非極性反転型のスタックの設計と
は異なり、極性反転型の用途の場合には、濃縮スペーサは、希釈隔室に使用され
るスペーサと同じ厚みになるように、設計される。
図６に示すタイプのスペーサを用いる場合には、その組み立てプロセスは以下
の通りである。
未調整の乾燥したカチオン性の交換膜及びアニオン性の交換膜を、中央のポー
トの周囲で、希釈スペーサに接合し、これにより、希釈流出口ポート及び濃縮流
出口ポートを互いに隔離すなわち分離する。上の例と同様に、接合は、接着剤、
溶剤、超音波溶接、融接、あるいは、他の適宜な方法によって、行うことができ
る。各セル対は、接合された隔膜を有する各々の希釈スペーサの頂部の１つの濃
縮スペーサと組み立てられる。これも上の例と同様に、セル対は、超音波溶接又
は他の方法によって、中央のポートの周囲で互いに接合される。隔膜は、上の例
と同様に、隔膜調整タンクの中へ浸漬することにより、調整される。隔膜が調整
された後に、超音波溶接又は他の方法によって、セル対を周部のポートの周囲で
互いに接合する。別の実施例として、隔膜は、一時に予め接合され、接合の前に
均一に予調整された、半分のセルとすることができる。これは、スタックに一時
に１つのセルを形成することを可能とする。
上述のように、セルスタックを回転させ、スラリの形態で樹脂を加える方法を
用いて、セル対にイオン交換樹脂を充填する。スタックが、完全に組み立てられ
、端部プレート間で圧縮された後に、希釈スペーサ及び濃縮スペーサの外周部を
融接して、スタックを完全にシールし、外部への漏洩を防止する。ツーパス型の
スタックが必要とされる場合には、その製造プロセスは、上述のプロセスと同じ
であるが、スタックの中間のスペーサには、入口ポートを設けず、これにより、
分離スペーサの箇所において、スタックの外周の周部のポートの中への液体の流
入を阻止する点が異なる。
上述のように、モジュールのセルを一時に１つのセル毎に組み立てて接合し、
その後、そのアセンブリ又はサブアセンブリが完成した時に、所望の樹脂をセル
に充填することが可能である。均等例
本発明の特定の特徴を幾つかの図面に示したが、唯一の及び各々の特徴を、本
発明の他の特徴のいずれかあるいは全部と組み合わせることができる。
しかしながら、本発明に関する上の説明は、単なる例として示すものであって
、当業者には、本発明の原理から逸脱しない、他の変更例、実施例及び均等例が
、明らかであろう。
円盤状のスペーサによって部分的に形成される希釈隔室及び濃縮隔室を備える
電気脱イオン装置を用いることにより、本発明の種々の目的を概ね達成すること
ができる。本発明に従って、他のスペーサ構造を代用したり本発明に加えること
ができることは、当業者には理解されよう。一例として、本発明は、上に詳述し
た円形及び六角形の実施例に加えて、八角形又は方形の断面を有するスペーサを
使用することを可能とする。
本発明を上に説明したが、本発明者等が望む請求の範囲は以下の通りである。Detailed Description of the Invention
Module for electric deionizer Field of the invention
The present invention provides a novel method for transporting ions in a liquid under the influence of an electric field.
Electric deionization device.Background of the Invention
Purification of liquids is achieved by reducing the concentration of ions or molecules in the liquid.
Was a technically important concern. Many techniques are used to purify and separate liquids.
Separation or concentration of specific ions or molecules from liquid mixtures has been performed.
Well-known processes include electrodialysis, liquid chromatography, membrane filtration and reverse
The permeation method, the ion exchange method, and the electrodeionization method are mentioned. Used in this specification
As such, the term electrodeionization refers to an ion exchange material such as an ion exchange resin.
, Between the anionic diaphragm or thin film and the cationic diaphragm or thin film
It refers to the existing process. In contrast to this, electrodialysis
The term refers to an ion exchange material provided between an anionic and a cationic diaphragm.
It concerns a non-paying process.
Liquid using a process that has finally evolved to electro-deionization in the modern sense
An early suggestion for treating lactic acid is US Patents 2,689,826 and 2,
815,320 (Kollsman). The above-mentioned US Patent No. 2,
No. 689,826 removes ions from the process stream or process stream.
An electrodialysis device and an electrodialysis process for removal are described. Ion is
The flow is partly formed by the anionic and cationic permeable membranes.
It is removed from the stream as it passes through the depletion chamber. Each ion is
The potential of transporting preselected ions in a given direction through the permeable membrane of
Enter the second liquid in the receiving concentration chamber. The liquid being processed
Is deficient (deficient) in the ions, while the second liquid is the transported ions.
Enriched with, and carry such ions in a concentrated state.
The above-mentioned US Pat. No. 2,815,320 discloses anionic membrane and cationic membrane.
As a filling material between the membrane and macroporous beads formed from ion exchange resin
The use is described. The above ion exchange resin is used as an ion transport passage.
And a large conductive bridge for transporting ions between the diaphragms
Also plays the role of. Both of the above U.S. patents describe the basic structural framework of electrodeionization as well as
The theory is presented as technology.
More recently, a significantly improved electrodeionization device has been described in US Pat. No. 4,925.
, 541 (Giuffrida et al.), And US Pat. No. 4,93.
No. 1,160 (Giuffrida), and in the present specification,
Reference is made to these US patents.
In the above U.S. patent, the depletion chamber and the concentration chamber are paired as cells
Provided, each pair having a width of about 414 mm (16.3 inches) and a length of about 857 mm.
It has a rectangular shape of mm (33.75 inches). Each cell pair is the first
A diluting compartment for removing contaminants from the process stream (diluting stream) of the second process stream
And a concentrating compartment for concentrating the above contaminants. As reference
, The process flow in the dilution compartment is referred to as the diluting or diluting flow,
Also, the process stream in the concentrating compartment is referred to as the concentrating or concentrating stream.
Be done.
The dilution compartment is formed by a spacer molded from polypropylene,
This spacer has the same dimensions as the rectangular cell configuration, as well as approximately 2.29 mm (
It has a thickness of 0.090 inch. This compartment has a bead shape
It is preferably filled with an ion exchange resin. The same rectangle as the spacer above
Electrodialysis membranes having shape dimensions are joined to both sides of the spacer, the dilution compartment
Forming the top and bottom walls of the. The electrodialysis membranes are different, one is
One is an on-exchange membrane, while the other is a cationic exchange membrane. 274 mm (
1.08 inches wide, about 654 mm (25.75 inches) long, and about 2
． A series of parallel shallow passages each having a depth of 29 mm (0.090 inches)
It forms a flow passage for a process flow (dilution flow) flowing through the dilution compartment. Up
The diluting flow flows into the diluting compartment and is guided through the manifold into each of the above passages.
Be done. The manifold obstructs the flow and distributes it evenly over the entire passage.
It has a number of obstacles designed to dispense. The spacer is diagonal
Equipped with an inlet and an outlet provided at the corners facing each other in the direction of the line
Equalizes the pressure drop across all flow passages from the inlet to the outlet.
.
The concentrating compartment also has a spacer with the same rectangular dimensions as the diluting compartment,
Has been formed. The spacer in the concentration compartment should be thinner than the spacer in the dilution compartment.
However, in some applications, as we will see shortly, a concentrated space is available.
The sensor has the same thickness as the dilution spacer. In general, the concentration compartment
Contains an inert screen that serves to mix the concentrated stream flowing through the compartment.
ing. Otherwise, if the device is operated in polarity reversal mode, or
When operated in a full-filled non-polarization reversal mode, the screen
It is replaced by an ion exchange resin or a mixture of ion exchange resins.
The ion exchange resin and the diaphragm are described in the above-mentioned US Pat. No. 4,925,541 and
It may be that described in US Pat. No. 4,931,160. So
However, the above-mentioned resin and diaphragm are the same as the pending rice filed on December 17, 1990.
Country Patent Application Serial No. 07 / 628,338, and its continuation-in-part application
U.S. Patent Application Serial No. 07 /
841,021 and, in the present specification,
See US patent application.
When assembling the electrodeionization unit, back it with an aluminum end plate.
Stack each of the above cell pairs between the end blocks of molded polypropylene applied.
To compress. The end plate is provided along the periphery of the end plate.
Attached with respect to each other by tie bars. End block, end pre
The tie and tie bar are called the closure mechanism.
Although the above-mentioned electrodeionization device finds wide commercial application,
There are several drawbacks to the cell design. For example, place it on both sides of the dilution spacer.
The working area of the diaphragm is the area that acts as the boundary of each flow passage. In general
, The total working area or working area of the diaphragm is about 1,793 cm2(278 sq. In
H), which is only about 50% of the total area of the diaphragm. The remaining 50%
diaphragm
Area cannot be used because the area
, In contact with the impermeable area of the spacer, or by a gasket or glue
Because it is sealed. The overall efficiency of the electrodeionization system is the ion exchange
The ion exchange performance depends on the use, as it depends in part on the total area of the septum available.
This can be improved by reducing the surface area of the diaphragm that cannot be opened as much as possible. SE
Flow through the pair of channels, especially when the flow rate changes from minimum to maximum.
Distributing it is also a concern.
The flow capacity of each individual deionization unit is increased by the cell pair.
It can only be increased by ease, but this breaks down the closure mechanism.
Cell pair and insert a longer tie bar.
And need.
Finally, the perimeter of each cell pair needs to be sealed from the ambient environment. this is,
Generally, it is performed by using an adhesive which is an elastomer. Current rectangular electrodeionization module
The tool may occasionally experience leaks, which may occur in the inner casing.
This is especially undesirable in the case of a small contained electric deionization unit.
Therefore, the electric deionization device that enables the maximum use of the ion exchange membrane
There is a demand for.
Also, for maintaining a seal between each dilution and concentration compartment, more
There is also a need for an electrodeionization device with a simpler and more reliable means.
There is also another need for an electrodeionization device of modular design.
Moreover, electrodeionization that can be produced with higher levels of automation.
There is also a demand for equipment.Summary of invention
The present invention relates to an electrodeionization device with a novel modular design. You
That is, the electric deionization apparatus of the present invention is a concentrating cell having a substantially disc shape.
And a dilution cell. Individual cells can be circular or multi-celled, eg hexagonal.
It can be prismatic. The flow is generally parallel from one end of the module to the other
Unlike normal rectangular electrodeionization module which is
The flow path for the process flow through is radial. This flow passage is, for example,
Baffles or baffles that provide spiral or arc-shaped flow passages for process flow
It is possible to increase the length by providing a passage means such as the above in the module.
The electrodeionization device of the present invention is suitable for automated manufacturing for a variety of reasons.
It Among these reasons, the novel module design is due to the ion exchange tree in the compartment.
Assemble a complete electrodeionization stack before filling or loading with fat.
And are possible. Once the stack is assembled, the stack is placed around its axis.
While rotating, slide the resin suspension in the form of a slurry into the
Resin can be filled by pumping into the stack via
. The rotational force evenly distributes the resin within the compartment to be filled. Module is
, Slotted outer circumference or flow passage
Process flow enters each module through the perimeter or flow passages. This
As a result of such a structure, during filling, the carrier liquid of the above resin does not cause a large barrier.
No barriers are encountered and they flow through the filled resin,
Exit from each cell pair through the perimeter.
The composition of the slurry may change during the filling cycle, so the composition of the resin or
The size of the beads is a function of the radial position of the resin within each cell.
It can be set at will. This is, for example, the composition of the resin or the bead
It allows the size to change with a gradient across each cell.
Also, the design of the present invention allows for a more desirable closure mechanism, and this closure mechanism is
In this case, each cell pair is compressed between the end plates, and the end plates are
, A central rod or tie bar around these end plates,
Alternatively, they can be held together by a clamp or the like. The module is roughly a circle
Since the plate has a disk shape, the end plate also has such a shape.
Becomes The end plate also includes a dome shape that produces uniform, axisymmetric stress
be able to. The disk-shaped module also has a cylindrical shape as a pressure housing.
It is possible to use a shell or a pipe.
Finally, the injection molding of a disk-shaped or hexagonal module requires a rectangular shape.
Compared to the modules it has, the device is even easier to design
, Simplify the manufacturing process. Ie used to form a module
Ru
Molten plastic does not have cramped corners to fill, so it does not move inward in the radial direction.
Rui can flow radially outward.
Accordingly, one object of the present invention is to provide a generally disk-shaped dilution and concentration compartments.
, To provide an electrodeionization device.
Another object of the present invention is that the flow passages of the process flow are radial or spiral.
That is, it is to provide an electric deionization device which is in the spiral direction.
Yet another object of the invention is to provide electrical, which can be assembled using automated techniques.
It is to provide a deionization device.
Still another object of the present invention is to provide a compartment filled with a resin, the composition of the resin being
It is to provide an electrodeionization device that is non-uniform across its compartments.
Another object of the present invention is to maximize the usable ion exchange area of the ion exchange membrane.
To provide an electric deionization device.
Yet another object of the present invention is to reduce the possibility of leakage between the concentration compartment and the dilution compartment.
It is to provide an electrodeionization device that reduces or eliminates.
Yet another object of the invention comprises an ion exchange compartment formed by injection molding.
Another object is to provide an electrodeionization device.
Yet another object of the invention is to remove the ion exchange resin after assembling the stack.
An object is to provide an electrodeionization device with a compartment that can be filled.
The above and other objects and features of the present invention are described in the accompanying drawings and the detailed description of the invention.
This will be explained in more detail in the section.Brief description of the drawings
FIG. 1 is an exploded view of a conventional electrodeionization device,
FIG. 2 is a schematic diagram of a flow path of a process flow through an electrodeionization device,
FIG. 3 is a schematic view of an embodiment of the electrodeionization apparatus of the present invention,
FIG. 4 is a schematic view of one embodiment of the spacer of the electrodeionization cell of the present invention,
FIG. 5 is a schematic diagram of an embodiment of the apparatus shown in FIG.
FIG. 6 is a schematic view of a second embodiment of the spacer of the electrodeionization cell of the present invention.
,
FIG. 7 is a schematic diagram of a second embodiment of the electrodeionization device of the present invention.Detailed Description of the Invention
In prior art electrodeionization devices, such devices consist of an anode and a cathode.
The sword, the anode and cathode compartments, a series of concentration compartments, and a series of depletion chambers.
It has a small compartment.
Referring to FIG. 1, one of the prior art electrodeionization devices 10 includes an electrode 9 and an electrode.
It comprises a single stage 12 bounded by poles 11. edge
Adjacent to the plate 13 is the electrode 9 and the desired distributor (manifold)
Is an end block 17 that accommodates. The electrode spacer 18 is attached to the end block 17.
The electrode spacers 18 are provided adjacent to each other, and the electrode spacer 18 is a liquid passing through the electrode spacers.
It is equipped with a screen 19 which creates a turbulent flow of the body. The ion permeable membrane 20 is an electrode
The outer peripheral portion 21 of the spacer 18 is sealed. Spacers made of flexible material
The sensor 22 includes a screen 24. The spacer and screen 24 are
The concentration compartment of this electric deionization apparatus is provided.
The structure of the reduced compartment includes an ion permeable membrane 26 and a spacer formed of a rigid material.
28 and an ion permeable membrane 30. The ion permeable membranes 26, 30 are
Both sides of the spacer 28 are sealed to the outer peripheral portion 32 of the spacer 28. Ion exchange
A bead of resin 34 is housed in a central cavity with ribs (not shown) and separated.
It is held in the central cavity by the membranes 26, 30. Inside stage 12
The liquid to be purified by means of the spacers 22 and 28 and the diaphragms 26 and 30
It can be passed through at least one unit. The spacers 22, 28 and the diaphragm 26,
The unit comprising 30 is usually repeated for a number of 5 to 250,
In the cage 12, a reasonable liquid flow volume is provided. Made from flexible material
The spacer 38 and the screen 24 and the ion exchange membrane 40 are
It forms a concentrating compartment. The electrode spacer 42 has an end block that houses the electrode 11.
It is provided adjacent to the key 44. The end plate 50 is adjacent to the electrode spacer 42.
Located opposite the contact side and adjacent to the end block electrode assembly.
It Bolts 56, 58, 60, as well as a fourth bolt (not shown) are included in device 10
Of the device, holding the elements of the device in place.
With reference to FIG. 2, the flow paths of the liquid through the various compartments of the electrodeionization device will be described.
It A two-stage or two-stage device is shown, but a single-stage or
A multi-stage device can also be used. The liquid to be purified enters the inlet 62
, Through the first reducing compartment 22 and then through the second reducing compartment 28. Liquid is a product
Recovered from the flow outlet 64. Concentrated liquid enters the inlet 66 and enters the concentrated compartment 22.
Through the waste stream outlet 68 to the drain. Liquid electrolyte is
It is circulated from the port 70 to the electrode compartments 19, 42 and discarded to the drain via the outlet 72.
Be done.
One embodiment of the electrodeionization device of the present invention is shown in FIG. In Figure 3
The electric deionization apparatus 100 is housed in the pressure vessel 106 and is alternately installed.
A series of depleting compartments 102 and concentrating compartments 104. Each compartment 10
2, 104 are preferably generally disc-shaped, for example preferably circular or hexagonal in shape
Manufactured to have the form of The compartments 102 and 104 are stacked alternately
To form a pair of cells around the central tie rod 108, each compartment
Separated by an anionic exchange membrane and a cationic exchange membrane provided to each other
ing. Thus, for example, in any central portion 105 of the compartment stack, the compartment
And the diaphragm can be repeated in the following order. That is, concentrated
Spacer, cationic exchange membrane, diluting spacer, and anionic exchange membrane in this order
It is the beginning. Cationic and anionic exchange membranes are used as diluent spacers and concentrated
The diaphragm may be attached to one or both of the shrink spacers, but the septum defines a dilution compartment.
The form attached to the formed spacer is preferable.
This device is referred to herein in US Pat. No. 4,956,071 (Giuff).
rida et al. ), Operating in polarity reversal mode as detailed in
If so, the dilution and concentration compartments are the same as the dilution and concentration spacers.
Are the same. In such a case, both compartments should be
Each can be called a "double compartment" formed. The ion permeable membrane is anionic
Permeable and cationic permeable membranes along the axial thickness of the double compartment stack.
And are arranged alternately.
Alternating compartments in both normal and polarity reversal devices
End plates 110, 112 are provided at both ends of the stack and these end plates are
The rate may be adjusted, for example, by threaded nuts 114, 116 to secure the tie rod 10
It is held at the end of 8. At one or both ends of this assembly, spring springs
A washer 118 may be provided and the spring washer is at least one nut.
Located between the end plate and the adjacent end plate to provide elastic compression to the assembly.
It The end plates 110, 112 have a cross section that generally corresponds to the interior of the pressure vessel 106.
have. Grooves 124, 1 formed in the end caps 110, 112, respectively
The O-rings 120 and 122 are provided in the inside of 26, and by this, each end cap is provided.
Can be effectively sealed in the pressure vessel. Instead, the above device
Means for sealing the seal are standard pressure vessels, such as those used in reverse osmosis equipment.
Can be designed to fit the end cap of the.
An inlet port 128 is provided at an appropriate point between the end caps 110, 112,
It is provided in the pressure vessel 106. Instead, the inlet port 128 is an end key.
It can be provided on one of the caps. The inlet port 128 is connected to the outside of the device and the supply
A communication is provided between the chamber 130 and the supply chamber, and the supply chamber is a concentration / dilution compartment space.
Space formed as a region between the outer circumference of the tack and the interior of the pressure vessel 106
It has.
In use, the process flow flows through the inlet port 128 and the process flow
It enters the chamber 130. The process flow is diluted from the process flow chamber above.
The radial direction from the outer periphery of each of the separation chamber and the concentration chamber toward the center of each
It flows into the isolation and concentration compartments. Dilution compartments and concentration compartments are stacked alternately
Therefore, the portion of the process flow that is pressed against the outer periphery of the dilution compartment is
The process flow enters the chamber and becomes the dilution flow, while it is pressed against the outer periphery of the concentration compartment.
This portion enters the concentrating compartment and becomes a concentrated stream.
Similar to a typical electrodeionization device, one surface of the dilution compartment is anionic
Formed by a permeabilization membrane, while the surface opposite the dilution compartment is a cationic permeable membrane.
Is formed by. The above-noted pending US patent application serial no. 07/6
For special applications such as those mentioned in 28,338, anionic
The membrane and the cationic membrane can be replaced by a neutral diaphragm. Edge key
Provided in each of the caps 110 and 112 and connected to an external power source (not shown).
Electrodes 132, 134 provide current to the front and back of the diaphragm stack. Electrode 132,
1
34 is preferably annular and is formed on the inwardly facing portion of each end cap.
It is preferably housed in an annular recess made. Electrode inlet 13 of each electrode
6, 138 and electrode outlets 140, 142 between the electrode and the compartment stack.
Provide a flow for supplying liquid to the electrode compartments 144, 146 that provide fluid communication to the
. Electrode screens 148 and 150 are provided in each electrode compartment,
Turbulence can be created in the liquid flow in the. Immediately adjacent to either electrode
Whether the electrolyte solution is diluted, concentrated, or at a constant concentration
Depending on whether it is to be retained in a cationic diaphragm, an anionic diaphragm, or a medium
It can be a sex septum.
The electrodes generate a driving force, which drives the cations (
Cations) through the cationic permeable membrane and adjacent to the cationic permeable membrane.
Transport into concentrated stream. Similarly, the electrode is used for the anion (anion) in the dilute stream.
Through the anionic permeable membrane and adjacent to the anionic permeable membrane.
Transport it into the room. Therefore, the dilution flow is directed inward toward the center of each dilution compartment.
On flowing to, such a dilute stream is depleted of ions and thus purified.
In contrast, the concentrated stream undergoes ion enrichment, increasing its ion concentration.
Both the dilution compartment 102 and the concentration compartment 104 have a product flow outlet 152 and a waste.
Means for forming respective flow outlets (not shown in FIG. 3)
It The product flow outlets 152 are in fluid communication with each dilution compartment 102 and each
To allow passage through these concentrating compartments without fluid communication with them.
It is configured. Similarly, the waste flow outlet communicates with each concentration compartment 104,
It is constructed so that these diluting compartments can be directly passed through without communicating with the dispensing compartment 102.
Have been.
An example of a typical spacer used in a dilution or concentration compartment is shown in FIG.
Has been done. A compartment is generally formed by the spacer 154, and the space
Are relatively inert, such as polyolefins or fluorohydrocarbon polymers.
Formed from a flexible thermoplastic polymer. The spacer shown in Fig. 4 has a hexagonal shape.
Configured to have, but as described above, an intent to limit to such a shape.
There is no. The outer periphery of the spacer is provided with a plurality of slotted compartment inlets 156.
These compartment inlets allow process flow to flow from the supply chamber 130 into the compartments.
Allow to enter. A plurality of curved baffles 158 and
A relatively curved flow passage 159 is formed between the spacer and the center of the spacer. Each
Spacer 154 surrounds axial bore 162 for receiving tie rod 108.
A central hub 160 is provided. In the case of a dilution compartment, the hub 160 may be
An outlet port 164 that allows reflow to enter the product flow outlet 152 through the compartment.
And allowing the concentrated stream to pass through the compartment without communicating with the compartment.
And a passage 166.
Similarly, when the spacer 154 forms a concentrating compartment, the outlet port 164 is
, Allowing the concentrate stream to flow into the waste stream outlet, while the passage 166
Isolate the product flow from the concentrating compartment and shape the product flow passageway through the concentrating compartment.
To achieve.
In an electric deionization device, an ion exchange resin should be used in at least the dilution compartment of the compartment.
Since the space between the baffles 158 of the spacer 154 is filled with ions,
It will contain the exchange resin. In addition, the ion-exchange membrane is
Will be provided above and below the service. Thus, for example, if the anode is
Is located above the plane of the drawing, and the cathode is below the plane of the drawing.
If it is located towards the bottom (in the case of a dilution compartment), the top surface of the spacer is anionic.
Of the spacer and the bottom surface of the spacer will contact the cationic permeable membrane.
It
As mentioned above, when the spacer of FIG. 4 forms the dilution compartment 102,
Each spacer forming the compartment 104 is provided on both sides of the spacer of FIG.
Become. The spacers in each concentrating compartment are shaped to be identical to the spacers in the diluting compartment.
Can be made. When assembling the stack, keep the adjacent spacers
Rotate about rod 108 about 60 ° relative to adjacent spacers.
, So that the passages of all other spacers are separated from each other by the spacing adjacent to each spacer.
Be able to communicate with the room. As a result, each compartment is isolated from the adjacent compartment.
Cell stack in fluid communication with a compartment that is remote from the even spacers
Is configured.
In the case of a concentrated compartment, fill the spacer between each baffle with ion exchange resin.
Although it is not necessary to install it, a resin-filled concentrating compartment should be provided for the reason explained later.
It may be desirable.
The design of the present invention is compared to prior art electrodeionization devices using a rectangular compartment.
, Brings several advantages. For example, circular or hexagonal cell designs are
And a flow passage that is directed radially inward of the concentrated flow. Heading inward in this radial direction
The flow gives rise to a very good flow distribution. In addition, the dilution flow and the concentrated flow are
Since the flow goes to each outlet in the central hub of each compartment,
As a result, the mass transfer rate increases.
In addition, unlike ordinary electric deionization equipment, it has a dilution chamber (dilution compartment) and concentration.
A seal to the chamber (concentration compartment) is provided around the outlet in the center of each cell pair.
It ’s enough. The perimeter of the spacer in each compartment has an inlet (for uniform process flow).
Etc.), so that each compartment of the
The need to seal the edges is eliminated. This has a double effect. first
Since it is not necessary to provide a seal that spreads between each compartment,
Greatly simplifies the process. Secondly, the sealing work is extremely reduced (
Since it is needed only around the center of the pacer), there is a seal between the septum and the spacer.
The loss of the surface area of the diaphragm caused by the cooling is eliminated.
Only unsealed ion exchange membranes can be used for ion exchange
Therefore, the amount of work required to seal the diaphragm is extremely reduced.
Area becomes more effective. This is the unit of diaphragm used in the construction of this device.
It is directly linked to increasing the diaphragm efficiency per area.
The design is also more suitable for use in pressure vessels. This
External leakage is virtually eliminated, and tie rods make it easier and more effective
A mechanical closing mechanism, and in order to readjust or replace if necessary,
A stack of dilution and concentration compartments that can be easily removed.
A unit can be provided that has a trench.
As mentioned above, the ion exchange may be carried out in the dilution compartment, and in some cases also in the concentration compartment.
Filled with resin. Such a resin is preferred before assembling the compartment stack.
Can be installed in each compartment after the compartment stack is assembled.
It Fill the resin with a resin suspension in the form of a slurry through the product outlet.
And also if the concentration compartment needs to be filled, via the waste flow outlet,
This is done by pumping into the stack. During the filling of resin,
The encased compartments are rotated about their respective central axes. Such turning force
Distributes the slurry into the compartment to be filled. Slotted perimeter (ie,
The compartment inlet) holds the resin while the carrier liquid is passed through the filled resin.
, Drain from the stack. When each cell pair is filled, the porous slats (elongate
A thin plate) is inserted in the center of the filling port to contain the resin in the compartment. The above
The rat has a slot that allows the resin to occlude the passage
It is preferable to minimize the property.
The filling technique described above allows for changing the composition of the slurry during the filling cycle.
To do. Therefore, the composition of the resin as a function of the radial position of the resin in the cell is
It can be adjusted arbitrarily.
Spacer size and design, especially diluting spacers, must be optimized
. Electrodeionization polishing that requires only a flow passage of about 102 mm (4 inches)
For applications, a pure radial flow path, as well as approximately 224 to 254 mm (9
Disks or polygons with a diameter of -10 inches can be used. aisle
In applications where it is necessary to increase the length of the
Increase its passage length to about 330 mm (13 inches) or more
You can
As mentioned above, the concentrating compartment can include an ion exchange resin. Not so
In addition, the concentrating compartment should be equipped with an inert or ionically conductive screen or mesh.
To generate turbulence in the compartment. As mentioned above,
The seal between the dilution and concentration compartments is only around the outlet near the center of each cell pair.
is necessary. Sealing operations include adhesives, solvent bonding, heat, ultrasonic welding, induction welding, and
And other polymer material bonding methods.
The inventive design achieves significantly higher diaphragm utilization than prior art rectangular cell pairs.
To achieve. A circular diaphragm for each disk-shaped cell pair consists of a hexagonal pattern at the center of each circle.
Can be cut out from the diaphragm sheet in a state of being arranged in a hexagon (closest packed hexagon).
Therefore, the waste rate of the diaphragm is only about 10%. There are hexagons and squares
In the case of a rectangular or rectangular compartment design, the ion-exchange membrane may consist of multiple hexagons, squares or rectangles.
Each can be cut into a shape and the diaphragm material is virtually undiscarded (no
There is no use). The additional loss of effective area of the diaphragm is due to the area of the central hub of the spacer,
And only in the area under all baffles.
As mentioned above, the spacers used for the dilution and concentration compartments must be the same.
You can, but you don't have to. For example, depending on the application
Thus, the thickness of the dilution compartment and the concentration compartment can be changed from each other. For example, polarity
In applications where it is desirable to operate the device in reverse mode, the dilution spacer and
The concentrating spacers can have the same shape and thickness. For non-inverting type applications
In the case of forming a diluting compartment, a spacer used to form a concentrating compartment
Thinner than the spacer used to ensure proper flow rate under high recovery conditions
Can be generated.
Greater mass transfer rate when the concentration compartment is filled with ion exchange resin
, Better product quality, and lower electrical resistance per cell pair.
You can
Also, the use of a concentrating compartment containing the ion exchange resin allows the device to operate in polarity reversal mode.
It is possible to drive. In this mode, the polarity of the electrodes is reversed, i.e.
Invert, which turns the electrode with the anode into a cathode and also
The electrode with the sword can be changed to an anode. Don't flip like that
When reversal occurs, the depleted compartment becomes a concentrated compartment, and the concentrated compartment becomes a depleted compartment.
become. Since the compartments are switched, the product outlet becomes a waste stream outlet,
The outlet becomes the product outlet. The operation of this device in the polarity reversal mode is
A system that can prevent the generation of fine particles, organic matter, and scale (dust) inside
Bring the stem or device. For a more detailed explanation of polarity reversal operation,
U.S. Pat. No. 4,956,071 (Giuffrida et al. )
Reference is made to the above-referenced U.S. patents.
Operation of the electrodeionization device in the polarity reversal mode is effective and for household use
(EN) An apparatus, such as a water softener, which is well suited for domestic use. One of such devices
One is shown schematically in FIG.
In FIG. 5, the electric deionization apparatus 100 as shown in FIG.
It is built into one wall of 80 and therefore does not require a pressure vessel.
Water from sources such as wells or city water supplies is solenoid operated or
Through the motor-operated valve 181 and the check valve 182 to enter the surge tank.
It flows into the mouth / outlet pipe 184. For one-pass type (pass once)
Meanwhile, the internal pressure of the surge tank 180 causes the raw water to enter the electric deionization device 100.
To purify the raw water. The purified water is then fed through the product pipe 186.
And can be supplied to the subsequent processing stage (processing stage) or the user.
Rather, in circulating applications, the effluent from the electrodeionization stack.
Are circulated back to the surge tank 180 via the circulation pump 188.
By using a surge tank, the demand for peak flow can be met,
At the same time, the relatively small electric deionization unit is continuously operated to
The material can be desalted or purified. Enables a small electric deionization unit
By doing so, the overall cost of the device can be reduced.
In use, the dilute stream exiting the electrodeionization device 100 is recycled to the circulation line 190.
It is supplied to the circulation pump 188 via the. Product water is ultimately the inlet / outlet
It can be withdrawn from the tank 180 via a pipe 184. Not so
, Adding a switching mechanism or valve mechanism to the device, which allows for one-pass type applications
Similarly to the above, a selection branch for extracting product water from the circulation flow is connected to the user through the product pipe 186.
Can be given to the user. Waste pipe 192 services the concentrated waste stream.
Take it out of Gitanuk and allow it to drain.
In addition, the device shown in FIG. 5 is used when an extremely large amount of water is required, or
If water that does not require gas deionization is needed, surge tanks and electrical deionization
By completely bypassing the ionizer, excess water can be directly delivered to the user.
It is possible to flush.
From the surge tank 180 to the user via the inlet / outlet pipe 184
When water is supplied, a solenoid operated or motor operated valve 1
81 is closed. Instead, install a surge tank and an electric deionization unit.
If you try to bypass and use the water directly from the source or source,
The valve 181 is opened.
Another embodiment of the present invention is shown in FIG. Figure 6 shows the process flow
Prior to entering each of the dilution and concentration compartments, the process stream is
The spacer 254 is shown to be divided into two parts. As I will explain,
The spacer 254 of the type shown in FIG. 6 is more effective than the spacer of the embodiment of FIG.
Reduces the available diaphragm surface area but allows the elimination of external pressure vessels,
We provide a device suitable for a two-pass type (two passes) flow path through the module.
This improves the overall process efficiency.
The spacer 254 shown in FIG. 6 can be used in a concentration compartment or a dilution compartment.
. However, for simplicity of explanation, the spacer of FIG. 6 is used in the dilution compartment.
The case will be described.
Spacer 254 is a relatively inert thermoplastic polymer such as polypropylene.
Formed from. This spacer provides a plurality of bays that form a flow passage 259 through the compartment.
Designed to have a relatively or generally circular shape with a curved baffle 258.
It is being measured. Dilution flow is via a dilution inlet 256 isolated from the outer periphery of the cell.
And fed into the dilution compartment. The inlet is the wall 2 of the pre-chamber (preliminary chamber).
It communicates with the dilution flow prechamber 257 formed by 61. Dilution flow pre
The chamber 257 further includes a plurality of mixing barriers 260, which are
A mixes the dilution flow through the pre-chamber and creates a stagnation zone or non-uniform
Prevent the formation of areas of pressure. The chamber further includes a plurality of inlet slots 262.
With inlet slots for the dilution flow to enter the individual flow passages 259.
Then, the diluted stream is further mixed.
During operation, the dilution process flow enters the module and is orthogonal to the direction of FIG.
In the direction of flow, it passes through the dilution inlet 256. When you encounter a dilution compartment, the flow
A portion of it enters the prechamber 257 from the dilution inlet 256. Next, this flow
, Through inlet slot 262 and into flow passage 259, where
Undergoing an electrodeionization process, by which the pollutant components are adjacent
Dark
Transported into the separation chamber. As with the spacer shown in Figure 4, the dilution flow is
Exit the chamber via flow outlet 252. At the same time, the concentrated stream is concentrated at the inlet 26
4, and through a concentrate flow passage 266 containing the increased concentrate flow,
During this, communication between the concentrated stream and the diluted stream is prevented. Dilution outlet 252, and
The concentrate flow passage 266 is formed by a passage contained in the hub 268,
The hub is a tie lock for holding the spacers in the form of a stack in the manner described above.
It has an axial hole 270 for accommodating the door 272.
In the embodiment described above, the streams of the concentrate outlet and the dilution outlet are isolated from each other.
However, the process flow inlets of the enrichment and dilution compartments share a common source.
It is necessary to keep in mind that On the contrary, in the embodiment of FIG.
The inlet (or concentrate inlet, in the case of spacers with a concentrate compartment) is the physical
Are separated from each other. Therefore, at the outer periphery of the spacer, the raw material flow
Instead of splitting into a concentrated component and a concentrated component, the spacer shown in FIG.
At some point on the stream side, it is necessary to split the process stream into dilute and concentrated components.
It This allows for both standard and reversed polarity devices.
It is then possible to circulate the concentrate, which allows a high velocity of the concentrate stream.
The benefit of maintaining high water recovery while at the same time
.
As a result of the earlier separation, the spacer needs to be sealed at its outer periphery.
It The ion exchange membranes provided adjacent to the upper and lower surfaces of the compartment stack are respectively
Will now be sealed along their outer edges, which will result in an unsealed diaphragm.
As a result of the reduced area of the membrane, the overall efficiency of the diaphragm is reduced. However, in the diaphragm
Although some surface area is lost, the efficiency of the diaphragm is greater than that of a conventional electrodeionization device.
, Still high. The design is also a two-pass type that passes through an electrodeionization module.
Brings the possibility of a flow passage. Such a form or structure is shown in FIG.
There is.
FIG. 7 shows a two-pass through a stack consisting of a concentrating compartment 304 and a diluting compartment 302.
Electrodeionization device with a mold flow passage to provide a system with improved removal capabilities
The device 300 is shown. Such a design is effective and has a two-pass type of diluting flow.
Flow results in higher product quality for a module of a given size
Or, it results in a reduction in the module dimensions required to achieve a certain quality
. Therefore, such a design allows the module to take the form of a smaller cartridge.
While having, it is possible to achieve the same removal rate.
Similarly, a two-pass flow of concentrated stream has a high recovery rate of ions in the concentrated compartment.
At the same time, without the use of a concentrate circulation pump, in the concentration compartment,
Maintain the required large flow rate. Such a design, as we will soon explain
Also includes a pressure vessel to accommodate the stack of concentration and dilution compartments.
Eliminates the need to use. Such a design is a single pass (one pass) as described above.
A diaphragm utilization (about 65%) lower than that of the mold assembly,
Diaphragm utilization such as can be achieved using conventional electrodeionization equipment
Still higher than diaphragm utilization. As shown in FIG. 7, an electrodeionization device 300
Comprises alternating diluting compartments 302 and concentrating compartments 304, which are
The dilution compartment and the concentration compartment are stacked together and attached to end caps 310, 312.
Therefore, it is held around the central tie rod 308. Similar to the above embodiment,
Using nuts 314, 316 and their associated spring washers 318
Seal both ends of the compartment stack. The electrodes 132, 134 are as described above.
It is an electrode.
The two-pass operation of the electric deionization module is
At some point, this can be done by selectively blocking the flow through the feedstock inlet.
It In the example shown in FIG. 7, in the first half 320 of the stack, the dilution flow is
Flows inward from the perimeter of the compartment towards its center and also in the second half of the stack
In, the dilution flow is from the center to the periphery, which
It doubles the effect of the flow passage through. Flow is a separation spacer with no inlet
324, and this spacer is used to connect the two halves 320, 32 of the electrodeionization stack.
Positioning at the parting line between the two can be easily prevented.
Unlike in Figure 4, where only the outlet requires a seal, the seal between the dilute and concentrated streams is
Are located around the outlet port in the center of the cell pair and around the perimeter of each cell.
Required in the entrance slot. Dilute after assembling each cell pair into a stack
The outer periphery of the spacer and the concentrated spacer may be fusion-bonded or may be formed by another method described later.
Therefore, it can be sealed. Similar to the above example, the concentration and dilution compartments
If filled with ion-exchange resin, the device can be used in polarity reversal mode.
You can
One method for manufacturing the above-mentioned electrodeionization stack is as follows.
. In the case of the first embodiment described above, an unconditioned dry cationic exchange membrane and an adhesive were used.
A nonionic exchange membrane is joined to the dilution spacer around the outlet port of the central hub,
This ensures that the dilution outlet port and the concentrate outlet port are isolated or isolated from each other.
Be tied up. Bonding may be adhesive, solvent, ultrasonic welding, fusion welding, or any other suitable method.
It can be done by law. Cell pairs, each with a septum bonded to each dilution
Assembled with one concentrating spacer on top of the spacer. The cell pair is
Only around the edges are they joined together by ultrasonic welding or other methods. Group
After standing, the stack of cell pairs is dipped into a diaphragm conditioning tank,
Adjust the diaphragm as is known in the art.
During the assembly process of the module, the module is
Note that it should not be fully tightened. The reason is that
This is because full tightening may cause wrinkles in the diaphragm. Therefore,
The tool is preferably adjusted in the loosened condition, because of its adjustment action.
This is because the diaphragm can expand during the work. After adjusting the diaphragm,
The tool can be completely tightened.
After the diaphragm adjustment process and the module tightening process, the stack is
At the same time as mounting the stack, attach the stack to the device that rotates the circle around its central axis.
The diluted slurry of ion exchange resin through the outlet port of the central hub.
Introduce it into the secession room. The slurry extends back and forth down the outlet manifold
Can be dispensed in tubes that allow for uniform resin distribution into individual compartments.
The flow of can be certainly input.
The ratio of anionic resin and cationic resin in the slurry depends on the carrier flow.
Continuously varying by separately weighing such resin entering the body
That results in a compositional or compositional gradient of each resin in the compartment
be able to. Centrifugal force generated by the rotation of the stack causes the slurry to flow into each compartment.
Distribute evenly into. The above resin is retained by the slotted outer periphery of the spacer.
The held carrier fluid of the slurry flows through the filled resin and the cell pair starter
Exit the cell pair through the outer periphery of the hook. Once the cell pairs have been filled, the porous
The slats can be inserted into the central filling port to accommodate the resin.
It The slats have their passages occluded by the fine component or composition of the resin.
It is preferable to have a slot so as to minimize the possibility. Also on
The slats are removable, which allows the resin to decay during use.
If blocked or damaged, fluidize and backwash to remove resin.
Can be designed to allow the replacement of
After assembly and filling of the cell stack, add an end plate containing the electrodes,
The completed stack is compressed by a rod passing through the center of the stack. Up
As mentioned above, threads are formed on both ends of the rod, and
A spring washer is added between each nut, which allows the compression acting on the stack.
You can maintain your strength. Next, insert the completed module into the pressure vessel.
Put it in and use it.
In the case of reversible cells, the manufacturing process is the same for the concentration compartment.
Is the same as the method described above, except that is used to fill the ion exchange resin. concentrated
The non-inverted stack design allows the compartment to be thinner than the dilution compartment.
In contrast, for polarity reversal applications, the concentrating spacer is used for the dilution compartment.
It is designed to have the same thickness as the spacer.
When using the type of spacer shown in FIG. 6, the assembly process is as follows.
It is as follows.
The unconditioned dry cationic and anionic exchange membranes were placed in the central port.
A dilution spacer around the perimeter of the inlet, which allows the dilution outlet port and concentrate stream to
The outlet ports are isolated or separated from each other. Similar to the example above, the bond is an adhesive,
It can be done by solvent, ultrasonic welding, fusion welding, or any other suitable method.
It Each cell pair has one concentration on top of each dilution spacer with a joined septum.
Assembled with shrink spacers. As with the above example, the cell pairs are
Are joined together by other methods around the central port. Diaphragm, above example
In the same manner as above, it is adjusted by immersing it in the diaphragm adjusting tank. Diaphragm regulated
Cell pairs around the perimeter ports by ultrasonic welding or other methods.
Join each other. As another example, the septum may be pre-bonded at one time and prior to bonding.
It can be half cell, uniformly preconditioned. This is a temporary on the stack
It is possible to form one cell at a time.
As mentioned above, the method of rotating the cell stack and adding the resin in the form of slurry
Are used to fill the cell pairs with ion exchange resin. The stack is fully assembled
, After the compression between the end plates,
Fused to completely seal the stack and prevent external leakage. Two-pass type
If a stack is required, its manufacturing process is the same as described above.
However, the spacer in the middle of the stack has no inlet port, which
At the location of the separating spacer, the flow of liquid into the ports on the outer perimeter of the stack
The difference is that it blocks entry.
As mentioned above, the cells of the module are assembled and joined one cell at a time,
Then, when the assembly or subassembly is complete, the desired resin is
Can be filled.Equivalent example
Although specific features of the invention are shown in some drawings, only one and each feature is
It may be combined with any or all of the other features of the invention.
However, the above description of the invention is given as an example only.
Those skilled in the art will appreciate other modifications, embodiments and equivalents which do not depart from the principles of the invention.
Would be obvious.
Provided with a dilution compartment and a concentration compartment partially formed by a disk-shaped spacer
Achieving the various objects of the present invention by using an electric deionization apparatus.
Can be. Substitution or addition of other spacer structures to the present invention in accordance with the present invention
Those skilled in the art will understand that the above can be performed. As an example, the invention is described in detail above.
In addition to the circular and hexagonal embodiments, a spacer with an octagonal or square cross section is used.
It is possible to use.
Having described the invention above, the claims that the inventors desire are as follows.
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(72)発明者 ウィルキンズ，フレデリック
アメリカ合衆国マサチューセッツ州01463,
ペパリル，バンクロフト・ストリート 47─────────────────────────────────────────────────── ───
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(72) Inventor Wilkins, Frederick
Massachusetts State 01463,
Peparil, Bancroft Street 47